應(yīng)用光學(xué)2006(第一章)f

1、2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 1 應(yīng)用光學(xué)應(yīng)用光學(xué) 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 2 授授課教師課教師： 光電測控技術(shù)與裝備研究所光電測控技術(shù)與裝備研究所 莊志濤莊志濤 E-mail: 辦公電話：辦公電話：86402312/3-800 辦公地點：辦公地點：制造樓制造樓604 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 3 研究領(lǐng)域 光電測試技術(shù)與儀器光電測試技術(shù)與儀器 視覺檢測技術(shù)與圖像處理視覺檢測技術(shù)與圖像處理 網(wǎng)絡(luò)化測試技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化測試技術(shù) 生物醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)

2、生物醫(yī)學(xué)圖像技術(shù) Optics Instrument & Automation Lab. (OIAL) http:/ 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 4 研究領(lǐng)域研究領(lǐng)域 光電測試技術(shù)與儀器光電測試技術(shù)與儀器 主要研究光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合的測量與控制方法主要研究光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合的測量與控制方法 及相應(yīng)的裝備，在激光測量技術(shù)和光纖測量技術(shù)及相應(yīng)的裝備，在激光測量技術(shù)和光纖測量技術(shù) 等方面取得一系列成果等方面取得一系列成果 。 快速、非接觸式激光測快速、非接觸式激光測 量系統(tǒng)在很多應(yīng)用中具有其他測量手段不可比擬量系統(tǒng)在很多應(yīng)用中具有其他測量手段不可比

3、擬 的優(yōu)勢。隨著激光技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)和電子技的優(yōu)勢。隨著激光技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)和電子技 術(shù)的發(fā)展，光、機(jī)、電三者相結(jié)合的產(chǎn)品如激光術(shù)的發(fā)展，光、機(jī)、電三者相結(jié)合的產(chǎn)品如激光 干涉儀、激光跟蹤儀，激光坐標(biāo)測量機(jī)，激光測干涉儀、激光跟蹤儀，激光坐標(biāo)測量機(jī)，激光測 距儀，全站儀等儀器在工業(yè)檢測中占有舉足輕重距儀，全站儀等儀器在工業(yè)檢測中占有舉足輕重 的地位。的地位。 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 5 研究領(lǐng)域研究領(lǐng)域 視覺檢測技術(shù)與圖像處理視覺檢測技術(shù)與圖像處理 是精密測試技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)最具有發(fā)展?jié)摿Φ男录际蔷軠y試技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)最具有發(fā)展?jié)摿Φ男录?術(shù)，

4、它綜合運用了電子學(xué)、光電探測、圖象處術(shù)，它綜合運用了電子學(xué)、光電探測、圖象處 理和計算機(jī)技術(shù)，將機(jī)器視覺引入到工業(yè)檢測理和計算機(jī)技術(shù)，將機(jī)器視覺引入到工業(yè)檢測 中，實現(xiàn)對物體中，實現(xiàn)對物體( (產(chǎn)品或零件產(chǎn)品或零件) )三維尺寸或位置三維尺寸或位置 的快速測量，具有非接觸、速度快、柔性好等的快速測量，具有非接觸、速度快、柔性好等 突出優(yōu)點，在現(xiàn)代制造業(yè)中有著重要的應(yīng)用前突出優(yōu)點，在現(xiàn)代制造業(yè)中有著重要的應(yīng)用前 景。視覺檢測技術(shù)為解決在線測量問題提供了景。視覺檢測技術(shù)為解決在線測量問題提供了 一個理想的手段，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局八十年代在一個理想的手段，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局八十年代在 調(diào)查的基礎(chǔ)上曾作過預(yù)測

5、：今后工業(yè)檢測工作調(diào)查的基礎(chǔ)上曾作過預(yù)測：今后工業(yè)檢測工作 的的80%80%將由視覺檢測技術(shù)完成。經(jīng)過十多年的將由視覺檢測技術(shù)完成。經(jīng)過十多年的 發(fā)展，視覺檢測技術(shù)在國內(nèi)外都獲得了長足的發(fā)展，視覺檢測技術(shù)在國內(nèi)外都獲得了長足的 進(jìn)步，應(yīng)用領(lǐng)域已涵蓋汽車、鋼鐵、微電子器進(jìn)步，應(yīng)用領(lǐng)域已涵蓋汽車、鋼鐵、微電子器 件等幾乎所有的現(xiàn)代制造業(yè)領(lǐng)域件等幾乎所有的現(xiàn)代制造業(yè)領(lǐng)域。 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 6 網(wǎng)絡(luò)化測試技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化測試技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)的最大特點就是可以實現(xiàn)資源共享，使現(xiàn)有資網(wǎng)絡(luò)的最大特點就是可以實現(xiàn)資源共享，使現(xiàn)有資 源得到充分利用，從而實現(xiàn)多

6、系統(tǒng)、多專家的協(xié)源得到充分利用，從而實現(xiàn)多系統(tǒng)、多專家的協(xié) 同測試與診斷，它解決了已有總線在儀器臺數(shù)上同測試與診斷，它解決了已有總線在儀器臺數(shù)上 的限制，使一臺機(jī)器為更多的用戶使用，實現(xiàn)測的限制，使一臺機(jī)器為更多的用戶使用，實現(xiàn)測 量信息的共享，實現(xiàn)整個測試過程的高度自動化、量信息的共享，實現(xiàn)整個測試過程的高度自動化、 智能化，同時減少了硬件的設(shè)置，有效降低了測智能化，同時減少了硬件的設(shè)置，有效降低了測 試系統(tǒng)的成本。另外，網(wǎng)絡(luò)可以不受地域的限制，試系統(tǒng)的成本。另外，網(wǎng)絡(luò)可以不受地域的限制， 這就決定了網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程測控，這就決定了網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程測控， 使測試人員不受時

7、間和空間的限制，隨時隨地獲使測試人員不受時間和空間的限制，隨時隨地獲 取所需信息，同時網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)還可以實現(xiàn)測取所需信息，同時網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)還可以實現(xiàn)測 試設(shè)備的遠(yuǎn)距離測試與診斷，提高測試效率。正試設(shè)備的遠(yuǎn)距離測試與診斷，提高測試效率。正 是網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)的這些優(yōu)點，使得網(wǎng)絡(luò)化測試是網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)的這些優(yōu)點，使得網(wǎng)絡(luò)化測試 技術(shù)倍受關(guān)注。技術(shù)倍受關(guān)注。 研究領(lǐng)域研究領(lǐng)域 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 7 生物醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)生物醫(yī)學(xué)圖像技術(shù) 生物醫(yī)學(xué)圖像在生命科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)診斷、臨生物醫(yī)學(xué)圖像在生命科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)診斷、臨 床治療等方面起著重要的作

8、用。生物醫(yī)學(xué)圖像床治療等方面起著重要的作用。生物醫(yī)學(xué)圖像 技術(shù)主要研究生物醫(yī)學(xué)成像和圖像處理方面的技術(shù)主要研究生物醫(yī)學(xué)成像和圖像處理方面的 基本原理方法和發(fā)展趨勢。針對國內(nèi)外的先進(jìn)基本原理方法和發(fā)展趨勢。針對國內(nèi)外的先進(jìn) 技術(shù)，尤其是在射頻超聲等醫(yī)學(xué)信號、信息提技術(shù)，尤其是在射頻超聲等醫(yī)學(xué)信號、信息提 取方法方面開展深入的研究。取方法方面開展深入的研究。 研究領(lǐng)域研究領(lǐng)域 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 8 師資力量師資力量 光電測控技術(shù)與裝備研究所經(jīng)過多年發(fā)展，光電測控技術(shù)與裝備研究所經(jīng)過多年發(fā)展， 現(xiàn)有現(xiàn)有400400平方米實驗室，在編人員平

9、方米實驗室，在編人員1010人，教授四人，教授四 名名( (浦昭邦浦昭邦, ,袁怡寶袁怡寶, ,劉宛予劉宛予, ,張琢張琢), ), 副教授二名副教授二名( (劉劉 國棟國棟, ,莊志濤莊志濤), ), 在讀博士助教在讀博士助教3 3人（劉炳國，任淑人（劉炳國，任淑 燕，胡濤），高級技師燕，胡濤），高級技師1 1人（王文濤），陳鳳東人（王文濤），陳鳳東 （博士，留校工作，計算機(jī)學(xué)院）（博士，留校工作，計算機(jī)學(xué)院）. . 光電測控技術(shù)與裝備研究室科研方向隸屬光電測控技術(shù)與裝備研究室科研方向隸屬 于自動化測試與控制一級學(xué)科，自建所以來，于自動化測試與控制一級學(xué)科，自建所以來， 培養(yǎng)博士生培養(yǎng)博士生

10、2828人、碩士生人、碩士生4848余人余人 ?，F(xiàn)承擔(dān)博士?，F(xiàn)承擔(dān)博士 研究生學(xué)位課一門、碩士生學(xué)位課多門。研究生學(xué)位課一門、碩士生學(xué)位課多門。 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 9 激光焦點法多功能測量系統(tǒng)激光焦點法多功能測量系統(tǒng) 柱面鏡 四象限光 電二極管 L1 O2 L2 L3 O1 z A B l LD L4 /4 片 偏振分光 棱鏡 splitter 線圈 磁鐵 分光棱鏡 被測面 A 信號處理電路 數(shù)據(jù)采集卡 恒流源驅(qū)動電路 z y x 2 3 4 1 光杠桿 2 3 4 1 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控

11、技術(shù)與裝備研究所 10 萬萬 工工 顯顯 視視 覺覺 測測 量量 儀儀 器器 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 11 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 12 考試成績組成：考試成績組成： 期末考試試卷面成績績: 70% 平時時成績績 : 30% 作業(yè)業(yè)成績績： 10% 實驗實驗成績績： 10% 出勤成績績： 10% 注意： 缺勤一次扣缺勤一次扣5分，分，三次和三次和三次以上缺勤者 或或缺席一次和一次以上一次和一次以上實驗實驗的，的，不準(zhǔn)參參加 期末考試試 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所

12、哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 13 本門課門課程的主要參參考教教材 1、工程光學(xué)基礎(chǔ) 徐家驊 主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2、工程光學(xué)李湘寧 主編 科學(xué)出版社 3、計量光學(xué)許世文 主編 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 14 光-Light，是我們們最熟 悉的現(xiàn)現(xiàn)象之一，沒沒有光， 人類類就無法生存。 地球上的主要能源都是直接或間接來地球上的主要能源都是直接或間接來 自太陽能！自太陽能！ 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 15 生活中，大自然中有關(guān)光的現(xiàn)象無處不在生活中，大自然中有關(guān)光

13、的現(xiàn)象無處不在 佛光 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 16 彩 虹 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 17 海市蜃樓 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 18 日暈 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 19 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 20 幾何光學(xué)發(fā)展最為迅速，荷幾何光學(xué)發(fā)展最為迅速，荷 蘭數(shù)學(xué)家蘭數(shù)學(xué)家斯涅爾斯涅爾發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確 的折射定律對于的折射定律

14、對于光學(xué)儀器的光學(xué)儀器的 設(shè)計和改進(jìn)具有重要意義設(shè)計和改進(jìn)具有重要意義！ 為研究整個光學(xué)系統(tǒng)提供了為研究整個光學(xué)系統(tǒng)提供了 計算的可能。計算的可能。 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 21 光學(xué)開始進(jìn)入了一個新的時期，以致于成光學(xué)開始進(jìn)入了一個新的時期，以致于成 為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿的重要為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿的重要 組成部分。組成部分。 二十世紀(jì)六十年代，激光問世。二十世紀(jì)六十年代，激光問世。 從此光學(xué)有開始了一個新的發(fā)展時期，并發(fā)展出了許從此光學(xué)有開始了一個新的發(fā)展時期，并發(fā)展出了許 許多多新興的光學(xué)學(xué)科，如：許多多新興的光學(xué)

15、學(xué)科，如： 傅立葉光學(xué)傅立葉光學(xué) 薄膜光學(xué)薄膜光學(xué) 集成光學(xué)集成光學(xué) 纖維光學(xué)纖維光學(xué) 全息光學(xué)全息光學(xué) 紅外與微光技術(shù)紅外與微光技術(shù) 等等等等 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 22 光學(xué)學(xué)的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域越來來越廣泛 工業(yè)工業(yè)：顯微鏡、汽車車身的檢測、機(jī)器人視覺、材料金相結(jié)構(gòu)：顯微鏡、汽車車身的檢測、機(jī)器人視覺、材料金相結(jié)構(gòu) 等等等等 車車 身身 模模 型型 數(shù)數(shù) 字字 化化 系系 統(tǒng)統(tǒng) 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 23 農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)：收割、除草、葉面與與果實實的檢檢 測測 葉面積儀葉面積儀 202

16、1-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 24 軍軍事：望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)鏡、夜視儀視儀、導(dǎo)彈導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)、激光測測距、 無人駕駛偵駕駛偵探機(jī)、平視顯視顯示器等等 紅外偵察紅外偵察 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 25 激光制導(dǎo)導(dǎo) 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 26 潛望鏡鏡 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 27 紅紅外雷達(dá)達(dá)和 平視顯視顯示器 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 28

17、醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)：CT、胃鏡鏡、虹膜檢測檢測、生物檢測檢測 通信：光纜通訊通信：光纜通訊 航天：資源勘探、星際探索航天：資源勘探、星際探索 哈勃號太空望遠(yuǎn)鏡是被送入哈勃號太空望遠(yuǎn)鏡是被送入 軌道的口徑最大的望遠(yuǎn)鏡?？傞L軌道的口徑最大的望遠(yuǎn)鏡。總長 12.8米，鏡筒直徑米，鏡筒直徑4.28米，主鏡直米，主鏡直 徑徑2.4米，連外殼孔徑則為米，連外殼孔徑則為3米，米， 全重全重11.5噸噸 日用：掃描儀、光碟、照相機(jī)日用：掃描儀、光碟、照相機(jī) 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 29 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)鏡 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電

18、測控技術(shù)與裝備研究所 30 “哈勃”太空 望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)鏡拍 攝攝的獅獅子 座“NGC 3 370”螺旋 星系的照 片 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 31 哈勃望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)鏡 2002年5月 到12月拍 攝攝到的太空 神秘發(fā)發(fā)光星 體圖圖片 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 32 人們還們還在不斷研斷研究光的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域 宇宇 宙宙 1 號號 太太 陽陽 帆帆 宇宙1號的太陽帆面積 為530.93平方米，由光 壓獲得的推力為255克。 如果太陽帆的直徑增 至300米，其面積則為 70686平方米，由光壓 獲得

19、的推力即為0.034 噸。根據(jù)理論計算， 這一推力可使重約0.5 噸的航天器在200多天 內(nèi)飛抵火星 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 33 應(yīng)該應(yīng)該指出的是，人們對們對光 的認(rèn)識還遠(yuǎn)認(rèn)識還遠(yuǎn)未完結(jié)結(jié)，對對光 的本性、傳傳播規(guī)規(guī)律以及光 與與物質(zhì)質(zhì)相互作用的研研究還還 在不斷繼續(xù)斷繼續(xù)。 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 34 幾何（應(yīng)應(yīng)用）光學(xué)學(xué)的研研究內(nèi)內(nèi)容 采用光的直線傳播概念，研究光采用光的直線傳播概念，研究光 傳播的基本規(guī)律和光通過光學(xué)系傳播的基本規(guī)律和光通過光學(xué)系 統(tǒng)成像的原理和應(yīng)用統(tǒng)成像的

20、原理和應(yīng)用 幾何（應(yīng)應(yīng)用）光學(xué)學(xué)的研研究目的 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 35 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 36 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 37 光切顯微鏡 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 38 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 39 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 40 2021-8-8 哈工大光

21、電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 41 第一章第一章 幾何光學(xué)的基本原理幾何光學(xué)的基本原理 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 42 在工農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)以及人類生活的各個領(lǐng)域，在工農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)以及人類生活的各個領(lǐng)域， 使用著種類繁多的的光學(xué)儀器，如望遠(yuǎn)鏡，顯微鏡，使用著種類繁多的的光學(xué)儀器，如望遠(yuǎn)鏡，顯微鏡， 投影儀等。投影儀等。 光學(xué)系統(tǒng)：千差萬別光學(xué)系統(tǒng)：千差萬別 但是其基本功能是共同的：傳輸光能或?qū)λ芯康瞧浠竟δ苁枪餐模簜鬏敼饽芑驅(qū)λ芯?的的。 研究光的傳播和光學(xué)成像的規(guī)律對研究光的傳播和光學(xué)成像的規(guī)律對 于設(shè)計

22、光學(xué)儀器具有本質(zhì)的意義！于設(shè)計光學(xué)儀器具有本質(zhì)的意義！ 1-1 光波和光線光波和光線 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 43 從從本質(zhì)質(zhì)上講講，光是電電磁波，它它是按照波 動動理論進(jìn)論進(jìn)行傳傳播。 但是按照波動理論來討論光經(jīng)透鏡和光學(xué)系但是按照波動理論來討論光經(jīng)透鏡和光學(xué)系 統(tǒng)是的傳播規(guī)律或成像問題時將會造成計算統(tǒng)是的傳播規(guī)律或成像問題時將會造成計算 和處理上的很大困難，在實際解決問題時也和處理上的很大困難，在實際解決問題時也 不方便。不方便。 好累！太不方便 了！ 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 4

23、4 按照近代物理學(xué)學(xué)的觀觀點，光具有波粒二象性， 那么么如果只考慮慮光的粒子性，把光源發(fā)發(fā)出的光 抽象成一條條條條光線線，然后按此來研來研究光學(xué)學(xué)系統(tǒng)統(tǒng) 成像。 問題變得簡單問題變得簡單 而且實用而且實用！ 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 45 幾何光學(xué)學(xué)：以光線為線為基礎(chǔ)礎(chǔ)，用幾何的方法來研來研 究光在介質(zhì)質(zhì)中的傳傳播規(guī)規(guī)律及光學(xué)學(xué)系統(tǒng)統(tǒng)的成像特 性。 點：光源、焦點、物點、像點 線線：光線線、法線線、光軸軸 面：物面、像面、反射面、折射面 由于光具有波動性，因此這種只考慮粒子由于光具有波動性，因此這種只考慮粒子 性的研究方法只是一種對真實情況

24、的近似性的研究方法只是一種對真實情況的近似 處理方法。必要時要輔以波動光學(xué)理論。處理方法。必要時要輔以波動光學(xué)理論。 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 46 一一. . 發(fā)光點發(fā)光點 幾何上的點是既既無大小，又無體積積的抽象概概念。 當(dāng)當(dāng)光源的大小與與其作用距離相比可以忽略不計時計時， 也可認(rèn)為認(rèn)為是一個個點。 天體天體遙遠(yuǎn)的距離遙遠(yuǎn)的距離觀察者觀察者 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 47 任何被成像的物體，任何被成像的物體， 是由無數(shù)個發(fā)光點組成是由無數(shù)個發(fā)光點組成 1、本身發(fā)光。、本身發(fā)光。 2、

25、反射光。、反射光。 因此研究物體成像時，可以用某些特征點的因此研究物體成像時，可以用某些特征點的 成像規(guī)律來推斷整個物體的成像。成像規(guī)律來推斷整個物體的成像。 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 48 二、光線二、光線 發(fā)發(fā)光點向四周輻輻射光能量，在幾何光學(xué)學(xué)中 將發(fā)將發(fā)光點發(fā)發(fā)出的光抽象為為帶帶有能量的線線， 它它代表光的傳傳播方向。 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 49 三、光束三、光束 一個位于均勻介質(zhì)中的發(fā)光點，它所發(fā)出的一個位于均勻介質(zhì)中的發(fā)光點，它所發(fā)出的 光向四周傳播，形成以發(fā)光點為球心的

26、光向四周傳播，形成以發(fā)光點為球心的。 某一時刻相某一時刻相 位相同的點構(gòu)成位相同的點構(gòu)成 的面稱為的面稱為 波面上某一點的法線就是這一點上光的傳播波面上某一點的法線就是這一點上光的傳播 方向，波面上的法線束稱為方向，波面上的法線束稱為 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 50 發(fā)發(fā)自一點或會會聚于一點，為為球面波 ：光線彼此平行，是平面波光線彼此平行，是平面波 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 51 ：光線既線既不平行，又不相交，波面為為曲面。 在幾何光學(xué)中研究成像時，主要要搞清光線在光在幾何光學(xué)中研究成

27、像時，主要要搞清光線在光 學(xué)元件中的傳播途徑，這個途徑稱為學(xué)元件中的傳播途徑，這個途徑稱為 從光束中取出一個適當(dāng)?shù)慕孛妫瑥墓馐腥〕鲆粋€適當(dāng)?shù)慕孛妫?再求出其上幾條光線的光路，即可解決成再求出其上幾條光線的光路，即可解決成 像問題。這種截面稱為像問題。這種截面稱為光束截面光束截面 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 52 一、光的直線傳播定律一、光的直線傳播定律 在在中，光線沿直線傳播。中，光線沿直線傳播。 二、光的獨立傳播定律二、光的獨立傳播定律 不同的光源發(fā)出的光線在空間某點相遇時，不同的光源發(fā)出的光線在空間某點相遇時， 。在光線的相會點上，光的

28、強度是各光。在光線的相會點上，光的強度是各光 束的簡單疊加，離開交會點后，各個光束束的簡單疊加，離開交會點后，各個光束 。 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 53 三、折射和反射定律三、折射和反射定律 光的折射和反射定律研研究光傳傳播到兩兩 種種均勻勻介質(zhì)質(zhì)的分界面 時時的定律。 （一）折射定律（一）折射定律 na 出射光線出射光線 入射光線入射光線 法線法線 I I O N Q nb I：入射角入射角 I：折射角折射角 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 54 （1）折射光線位于由入射光線和法線）折射光

29、線位于由入射光線和法線 所決定的平面內(nèi)，折射光線和入射光所決定的平面內(nèi)，折射光線和入射光 線分居法線兩側(cè)。線分居法線兩側(cè)。 （2）入射角的正弦和折射角的正弦）入射角的正弦和折射角的正弦 之比與兩角度的大小無關(guān)，僅決定于之比與兩角度的大小無關(guān)，僅決定于 介質(zhì)的性質(zhì)，為一恒量介質(zhì)的性質(zhì)，為一恒量nab 即 nab:介質(zhì)介質(zhì) b 對介質(zhì)對介質(zhì) a 的相對折射率的相對折射率， 如果介質(zhì)如果介質(zhì) a 為真空，則介質(zhì)為真空，則介質(zhì) b 對真空的折對真空的折 射率也稱為絕對折射率，用射率也稱為絕對折射率，用 表示表示 nb ab sin I n sin I na 出射光線出射光線 入射光線入射光線 法線法線

30、 I I O N Q nb 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 55 也可表述為：也可表述為： b b v c n C：在真空中光速在真空中光速， ：在介質(zhì) b 中光速vb 兩個介質(zhì)的兩個介質(zhì)的可以用光在該介質(zhì)中的速度表示可以用光在該介質(zhì)中的速度表示 b a ab v v n 對上式變換對上式變換 a b b a b a ab n n nC nC v v n 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 56 將將上式代入 并設(shè)并設(shè) nnb, nna 有： nsinIn sinI 真空折射率為真空折射率為1，在標(biāo)準(zhǔn)壓

31、力下，在標(biāo)準(zhǔn)壓力下，20攝氏度時空氣折射攝氏度時空氣折射 率為率為1.00028， 提示：提示：但是在設(shè)計高精度的太空中的光學(xué)儀器但是在設(shè)計高精度的太空中的光學(xué)儀器 時，就必須考慮空氣和真空折射率的不同。時，就必須考慮空氣和真空折射率的不同。 ab sinI n sinI 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 57 （2）入射角）入射角 I和反射角和反射角I 的絕對值相同，可表示為的絕對值相同，可表示為 （二）反射定 律 II （1）反射光線在由）反射光線在由 入射光線和法線所決定入射光線和法線所決定 的平面內(nèi)的平面內(nèi) 反射光線反射光線 入射光線入射光

32、線 法線法線 I N I” O 符號相反說明符號相反說明和和分居法線兩側(cè)。分居法線兩側(cè)。 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 58 全反射現(xiàn)象全反射現(xiàn)象 一般情況下，光線射至透明介質(zhì)的分界面時將發(fā)一般情況下，光線射至透明介質(zhì)的分界面時將發(fā) 生反射和折射現(xiàn)象。生反射和折射現(xiàn)象。 nsinIn sinI可知可知 sinIsinI 即折射光線較入射光線偏離法線即折射光線較入射光線偏離法線 由公式由公式 當(dāng)當(dāng) 光光 由由 射射 向向 時時, 質(zhì)質(zhì) 2021-8-8 哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所 59 不可能大于不可能大于1，此時入射光線將不能射入，此時入射光線將不能射入 另一介質(zhì)。另一介質(zhì)。 sinI 按照反射定律在介面上全部被反射回原介質(zhì)按照反射定律在介面上全部被反射回原介質(zhì) 對應(yīng)于對應(yīng)于 的入射角的入射角 被稱為被稱為臨界角臨界角1sinI I n n Im sin 記為